DE2427323B1 - Verfahren zur automatischen Positionierung der Bild- und/oder Objektflaechen bei optischen Kopiervorrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Positionierung der Bild- und/oder Objektflächen bei optischen Kopiervorrichtungen, insbesondere bei Vorrichtungen zum Projektionskopieren von Masken auf Halbleiterplättchen zur Herstellung von integrierten Schaltungen.

Bei Kopier- und Projektionsvorrichtungen ist man neuerdings bestrebt, die Scharfeinstellung der opti-

sehen Systeme, d. h. die Überführung der Bild- und Objektflächen in die Bild- bzw. Objektebene automatisch durchzuführen. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in der DT-PS 10 87 372, 12 31445 und 19 62 515 beschrieben. Dabei handelt es sich durchwegs um Vorrichtungen zur automatischen Anpassung der Brennweiten der abbildenden Systeme an die vorgegebene Lage von Objekt- und/oder Bildflächen. Bei einem Diaprojektor bedeutet das z. B. eine derartige Veränderung der Einstellung des abbildenden Systems, daß ein Diapositiv trotz zufälliger nichtbeherrschbarer Lageänderungen stets optimal scharf auf der Projektionswand abgebildet wird. Geringfügige Kippungen der Objekt- oder der Bildfläche stören entweder nicht oder werden durch Bestimmung einer Mittellage der gekippten Objekt- oder Bildfläche auf der optischen Achse berücksichtigt.

Eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung wird beispielsweise in der Literaturstelle »IBM technical disclosure Bulletin«, Vol.15, Nr. 2, Juli 1972, S. 504 und 505, beschrieben.

Wesentlich komplizierter liegen die Verhältnisse bei Projektionsgeräten zur Durchführung der Photolitographie bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen. Da bei diesen Geräten bei sehr kleinen Schärfentiefenbereichen extreme Anforderungen an die Schärfe und die Verzerrungsfreiheit der auf die mit Photolack überzogenen Halbleiterplättchen projiziertep Maskenabbildungen gestellt werden, genügt eine Änderung der Brennweite oder eine Verschiebung der Objekt- und/oder Bildfläche entlang der optischen Achse nicht mehr. Ist nämlich die Objekt- oder Bildfläche um eine oder um zwei zur optischen Achse senkrecht liegende Achsen gekippt, so kann durch eine Verschiebung in Richtung der optischen Achse immer nur ein Teilbereich der Bildfläche maximal scharf eingestellt werden. Bei einer Veränderung der Brennweite der Projektionsoptik ist außer den obenerwähnten Nachteilen noch die Tatsache zu berücksichtigen, daß mit einer Brennweitenänderung in der Regel immer

auch eine Änderung der Vergrößerung verbunden ist. Da mit fortschreitender Miniaturisierung integrierte Halbleiterschaltungen mit immer kleineren Schalt- und Leiterelementen und immer höheren Packungsschichten gebaut werden, werden auch immer höhere Anforderungen an das Auflösungsvermögen, an eine gleichbleibende Vergrößerung, an die Verzerrungsfreiheit und an eine optimale Scharfeinstellung der gesamten Abbildung gestellt. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten werden noch dadurch verschärft, daß zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Produktion Halbleiterplättchen mit immer größeren Durchmessern gleichzeitig durch eine einzige oder zumindest mit möglichst wenigen Abbildungen nacheinander belichtet werden

sollen. Diese Aufgaben konnten mit den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Scharfeinstellung nicht gelöst werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem die Lage der Fläche eines abzubildenden Objekts und die die Abbildung aufnehmende Fläche möglichst optimal mit den fest vorgegebenen Lagen der Objekt- und Bildebene des optischen Systems zur Deckung gebracht werden kann. Darüber hinaus sollen auch Abweichungen von der Winkellage um die optische Achse und um eine oder mehrere senkrecht zur optischen Achse verlaufende Richtungen leicht feststellbar und korrigierbar sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur automatischen Positionierung der BiId- und/oder Objektflächen bei optischen Kopiervorrichtungen, insbesondere bei Vorrichtungen zum Projektionskopieren von Masken auf Halbleiterplättchen zur Herstellung von integrierten Schaltungen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein in der Bild- und/ oder Objektebene fokussierter Strahl auf diesen Ebenen entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt wird, daß der Fokussierungszustand des Strahls auf den BiId- und/oder Objektflächen laufend automatisch überwacht wird und daß bei Auftreten von Defokussierung ortsabhängige Signale erzeugt werden, die zur Anzeige und/oder zur Korrektur von Abweichungen des Parallelzustandes, der Winkellage um die optische Achse und um zwei zu dieser senkrechten Achsen von der Sollage der Objekt- bzw. Bildflächen verwendet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit sowohl für die Objektfläche als auch für die Bildfläche jeweils sechs Fehlerparameter festgestellt und korrigiert werden:

1. Translationen in der X-Richtung

2. Translationen in der F-Richtung

3. Translationen in der Z-Richtung (Richtung der optischen Achse)

4. Drehungen um die optische Achse

5. Kippungen um die .Y-Achse

6. Kippungen um die F-Achse

Auf Grund dieser Fehlerparameter können beispielsweise mit Hilfe eines Analogrechners oder nach Digitalisierung mittels eines digitalen Komputers Steuersignale erzeugt werden, die die zugeordneten Fehler rückgängig machen.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Abbildungsstrahlenganges einer Projektionsrichtung mit den Flächen einer Maske und eines Halbleiterplättchens und den 12 möglichen Abweichungen von deren Sollagen,

Fig.2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird eine von einer Lichtquelle 1 ausgehende Strahlung 2 durch eine Linse 3 in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt, das eine Maske 4 durchsetzt. Die Maske wird mit Hilfe von Linsen 5 und 6 auf ein mit Photolack beschichtetes Halbleiterplättchen 7 abgebildet. Das aus den Linsen 5 und 6 bestehende abbildende System hat ein extrem hohes Auflösungsvermögen, wie es zur Belichtung von mit Photolack überzogenen Halbleiterplättchen bei der Herstellung von miniaturisierten integrierten Halbleiterschaltungen erforderlich ist Dieses hohe Auflösungsvermögen und eine sehr gute Verzerrungsfreiheit sind unter anderem auch deshalb erforderlich, weil Schalt- und Leitungselemente mit Durchmessern in der Größenordnung von μηι und weniger bei sehr hohen Packungsdichten wiedergegeben und mit in früheren Arbeitsgängen bereits aufgebrachten Strukturen exakt überlagert werden müssen.

Da die Schärfentiefe bekanntlich mit dem Quadrat des Auflösungsvermögens abnimmt und die gesamte Fläche des Halbleiterplättchens 7 aus Rationalisierungsgründen auf einmal belichtet werden soll, ist eine äußerst genaue Positionierung der Flächen der Elemente 4 und 7 erforderlich, die sich nicht nur auf Verschiebungen in Richtung der optischen Achse 8 (Richtungen Z, Z'), sondern auch auf Kippungen um die X, Y, X' und Y'-Achsen, ausgedrückt durch die Winkel α, β, ix', β', erstreckt. Außer der durch die obengenannten sechs Parameter definierten Scharfeinstellung müssen Maske und Halbleiterplättchen bezüglich der auf ihnen befindlichen Muster noch aufeinander ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung kann durch Translationsbewegungen in Richtungen der Achsen X, Y, X', Y' sowie durch Drehung um die optische Achse (Z-Achse), ausgedrückt durch die Winkel γ und γ', durchgeführt werden. Diese insgesamt 12 Freiheitsgrade berücksichtigende Einstellung kann bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit und bei genügend zur Verfügung stehender Zeit auch durch visuelle Beobachtung und manuelles Justieren durchgeführt werden. Automatisch arbeitende optische Vorrichtungen zur gegenseitigen Ausrichtung von Maske und Halbleiterplättchen bezüglich Translation und Drehung um die optische Achse sind grundsätzlich, beispielsweise durch die Literaturstelle IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 10, Nr. II, April 1968, S. 1817 und 1818, bekannt. Deshalb wird zur Vereinfachung der Darstellung im folgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung nur die Überführung der Flächen von Maske und Halbleiterplättchen in die Objekt- bzw. Bildebene des abbildenden optischen Systems unter Berücksichtigung der erstgenannten sechs Parameter beschrieben. Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, daß die durch die Abtastung von Maske und Halbleiterplättchen gewonnenen Signale auch für eine gegenseitige Ausrichtung dieser beiden Elemente verwendet werden können.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Belichtungsstrahlengang und einen Einstell- und Ausrichtstrahlengang 12 auf. Der Querschnitt der von einem Laser 11 ausgehenden, der Einstellung und Ausrichtung dienenden Strahlengangs 12 wird in einer Vorrichtung 13 vergrößert. Anschließend wird dieser Strahl durch einen Strahlenteiler 14, ein rotierendes, durch einen Motor 15Λ/ angetriebenes Prisma 15, eine Linse 16, einen zweiten Strahlenteiler 17 auf eine Maske 18 und über zwei weitere Linsen 19 und 20 auf ein zu belichtendes Halbleiterplättchen 21 fokussiert, das mit einer Photolackschicht 21p überzogen ist. Die Maske 18 und das Halbleiterplättchen 21 sind auf Supporten 18s und 215 befestigt, die mittels Vorrichtungen 41 bis 43 über stangenförmige Elemente 41a bis 43d bewegt werden können. Befinden sich Masken 18 und Halbleiterplättchen 21 in ihren Sollagen, d. h. den Objekt- und Bildebenen I80 bzw. 216, so wird der auf ihnen durch die Fokussierung entstehende Lichtfleck seinen kleinsten Durchmesser haben, was durch einen an sich bekannten Fokussierungsdetektor 30, wie er beispielsweise in der Literaturstelle IBM Technical Disclosure

Bulletin, Vol. 5, Nr. 2, Juli 1972, S, 504.und.505, beschrieben wird, erkannt werden kann. Die an den Flächen der Maske 18 und des HaJbleiterptättchens 21 reflektierte Strahlung gelangt auf den gleichen Weg zurück zum Strahlenteiler 14 und von dort über eine Linse 22 zu einem aus einer Linse 22, einem Strahlenteiler 24, Lochblenden 25, 26, Photodetektpren 27, 28 und einem Differenzverstärker 29 bestehenden Fokussierungsdetektor 30. Fällt der vom Laser 11 ausgehende Strahl 12 beispielsweise auf einen reflektierenden Bereich der Maske 18, der exakt in der Öbjektebene 18o liegt, so wird diese Tatsache durch ein Signal am Ausgang 31 des Fokussierungsdetektors 30 angezeigt. Liegt die reflektierende Fläche der Maske nicht genau in der Objektebehe 18o, so zeigt das am Ausgang 31 auftretende Signal Richtung und Betrag der Abweichung von der Sollage an. Da Abweichungen der Maske 18 von der Sollage njcht nur durch eine Verschiebung in Richtung der optischen Achse O unter Beibehaltung der Parallelität zur Objektebene, sondern auch durch Kippungen entstehen können, müssen laufend eine Vielzahl von Objektpunkten auf ihre richtige Lage in bezug auf die Objektebene untersucht werden. Zu diesem Zweck ist das rotierende Prisma 15 vorgesehen, durch das der verbreiterte Lichtstrahl 12 auf einem Kegelmantel bewegt wird. Das hat zur Folge, daß die Mittellinie des die Linse 16 verlassenden Strahls ebenfalls einen Kegelmantel beschreibt und daß der in der Objektebene 18o fokussierte Strahl auf einer Kreisbahn bewegt wird. Da die Maske zumindest bereichsweise durchsichtig ist, beschreibt auch der auf der Bildebene 216 fokussierte Strahl eine Kreisbahn. Da Masken in der Regel eine große Zahl von Ausnehmungen aufweisen, wird der diese Ausnehmungen durchsetzende Strahl auf dem Halbleiterplättchen 21 auf einer Vielzahl von auf einer Kreisbahn liegenden Punkten fokussiert. Sowohl das an der Maske 18 als auch das am Halbleiterplättchen 21 reflektierte oder gestreute Licht gelangt in der oben beschriebenen Weise zum Fokussierungsdetektor 30, dessen Ausgangssignale mit den durch eine Anzeigevorrichtung 15A für die Drehlage des Prismas 15 gelieferten Signalen in der Verarbeitungsvorrichtung 32 kombiniert werden. In dieser Vorrichtung werden auch die durch Reflexion oder Streuung an der Maske 18 und am Halbleiterplättchen 21 entstehenden Signale, beispielsweise auf Grund der durch die unterschiedlichen Reflektivitäten der Objekt- und Bildflächen bedingten verschiedenen Intensitäten, voneinander getrennt. Die die Lage der Maske und des Halbleiterplättchens angegebenen Signale werden aufgetrennten Leitungsbündeln 33, 34, Vorrichtungen 41, 42 und 43 zur steuerbaren Lageänderung der Maske 18 und des HaIbleiterplättchens 21 zugeführt.

Das am Ausgang 31 des Differential Verstärkers 29 auftretende integrale, d. h. über mindestens eine volle Umdrehung des Prismas 15 gemittelte Signal, gibt den Abstand der Fläche der Maske 18 von der Objektebene 18o nach Richtung und Größe an, während die Momentanwerte dieses Signals den Abstand des jeweils abgetasteten Objektpunktes von der Objektebene definieren. Das gleiche gilt für die durch Reflexion oder Streuung am Halbleiterplättchen 21 entstehenden Signale.

Werden diese Signale mit den von der Vorrichtung 15Λ zur Anzeige der Drehlage des Prismas 15 erzeugten Signalen kombiniert, erhält man die über die Leitungsbündel 33, 34 übertragenen Informationen über die X- y-Koordinaten der jeweils abgetasteten Objekt- und/oder Bildebenenpunkte sowie deren Entfernung von der Objekt- bzw. Bildebene. Die Lage des fokussierten Strahls 12 auf der Objekt- und der Bildfläche wird durch die jeweilige Drehlage des Prismas 15 definiert, während die Entfernung der jeweils abgetasteten Punkte von den Objekt- bzw. Bildebenen 18o bzw. 216 durch den vom Fokussierungsdetektor 30 angezeigten jeweiligen Fokussierungszustand des abzutastenden Strahls eindeutig definiert wird. Entsprechende Steuersignale werden über die Leitungsbündel 41, 42 und 43 übertragen, die durch unterschiedliche Verschiebung der stangenförmigen Elemente 41a, 416, 42a, 426 und 43a bis 43c/die Maske 18 und/oder das Halbleiterplättchen 21 entweder parallel zu sich selbst in Richtung der optischen Achse O verschieben und/oder um die X-Achse, die Y-Achse oder beide diese Achsen kippen. Auch eine gleichzeitige Durchführung aller dieser Bewegungen ist möglich. Auf diese Weise werden die Maske und das Halbleiterplättchen in ihre Sollagen überführt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung die mit 416,426,436 und 43c/bezeichneten stangenförmigen Elemente nicht sichtbar sind, da sie hinter den entsprechenden mit 41a, 42a, 43a und 43c bezeichneten stangenförmigen Elementen verborgen sind. Sobald sich die Maske 18 und das Halbleiterplättchen 21 in ihren Sollagen befinden, wird durch die Verarbeitungsvorrichtung 32 eine Blitzlampe 50 betätigt, deren Spektralbereich im Empfindlichkeitsbereich der das Halbleiterplättchen 21 bedeckenden Photolackschicht 21p liegt. Selbstverständlich liegt der Spektralbereich des Lasers 11 außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs dieser Photolackschicht. Treten auf den Leitungsbündeln 33,34 sich ohne feste Beziehung zur Drehlage des Prismas 15 schnell ändernde Signale auf, so ist dies ein Hinweis auf das Vorliegen von unregelmäßig über die Objekt und/oder die Bildfläche verteilten Unebenheiten. Auch Verwindungen der Objekt- und Bildfläche können mit dieser Vorrichtung festgestellt und durch entsprechende Verschiebungen von Objekt- und/oder Bildfläche entweder vollständig oder durch Einstellung einer Mittellage zumindest weitgehend unschädlich gemacht werden.

Das Prisma 15, das in einer mit einem Zahnkranz 15Z versehenen Halterung 15H um die nicht dargestellte Mittellinie des den Laser 11 verlassenden Strahles 12 drehbar angeordnet ist, lenkt in seiner mit ausgezogenen Strichen dargestellten Lage den Strahl 12 auf seinen durch ausgezogenen Linien dargestellten Weg ab, während es in seiner durch strichpunktierte Linien dargestellten Lage den Strahl auf einen mit strichpunktierten Linien dargestellten Weg ablenkt. Die Drehung der Prismenhalterung 15f/ wird über den Zahnkranz 15Z, der mit einem Zahnrad 15/? zusammenarbeitet, durch den Elektromotor 15M bewirkt.

Der in den Fokussierungsdetektor 30 eintretende, von der Maske 18 und vom Halbleiterplättchen 21 reflektierte Strahl wird über die Linse 23 und den Strahlenteiler 24 einerseits hinter der Blende 26 und andererseits vor der Blende 25 fokussiert. Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn die streuende oder reflektierende Fläche der Maske 18 in der Objektebene liegt, die öffnungen der Masken 25 und 26 von gleichen Lichtmengen durchsetzt werden. Das hat zur Folge, daß den beiden Eingängen des Differentialverstärkers 29 elektrisehe Signale gleicher Größe und Polarität zugeführt werden. Jede Verschiebung der reflektierenden oder streuenden Fläche der Maske 18 bewirkt eine gleichsinnige Verschiebung der hinter der Maske 26 und vor der

Maske 25 liegenden Brennpunkte, so daß den Photodetektoren 27,28 unterschiedliche Lichtintensitäten zugeführt werden, was zur Folge hat, daß auch die den beiden Eingängen des Differentialverstärkers 29 zugeführten elektrischen Signalen unterschiedliche Höhen aufweisen. Je nachdem, in welcher Richtung die reflektierende oder streuende Fläche der Maske 18 von ihrer Sollage, d. h. von der Objektebene 18o abweicht, werden entweder dem Photodetektor 27 oder dem Photodetektor 28 größere Lichtintensitäten zugeführt, was zur Folge hat, daß die am Ausgang 31 des Differentialverstärkers auftretenden Signale durch ihre Polarität

d'e Richtung und durch ihre Größe den Betrag der Abweichung der jeweils abgetasteten Fläche der Maske 18 von ihrer Sollage anzeigen. Das gleiche gilt für die am Halbleiterplättchen 21 gestreuten oder reflektierten Strahlen.

Zur Vereinfachung der Darstellung wurden die an sich bekannten Mittel zur Verschiebung der Maske 18 und des Halbleiterplättchens 21 in Richtung der zu den Ebenen 18o und 216 parallel verlaufenden X- Y-Koordinaten und zu deren Drehung um die optische Achse O nicht dargestellt, da derartige Vorrichtungen, wie weiter oben bereits angeführt, an sich bekannt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 539/267

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Positionierung der Bild- und/oder Objektflächen bei optischen Kopiervorrichtungen, insbesondere bei Vorrichtungen zum Projektionskopieren von Masken auf HaIbleiterplättchen zur Herstellung von integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Objekt- und/oder Bildebene (18o, 216) fokussierter Strahl (12) auf diesen Ebenen entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt wird, daß der Fokussierungszustand des Strahls auf den Objekt und/oder Bildflächen laufend automatisch überwacht wird und daß bei Auftreten von Defokussierung ortsabhängige Signale erzeugt werden, die zur Anzeige und/oder zur Korrektur von Abweichungen des Parallelabstands, der Winkellage um die optische Achse und um zwei zu dieser senkrechten Achsen von der Sollage (18o, 216) der abgetasteten Fläche der Maske (18) und der Fläche des abgetasteten Halbleiterplättchens (21) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Strahl auf der Objekt- und/oder Bildebene eine geschlossene Bahn, vorzugsweise eine Kreisbahn, beschreibt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Objekt- und Bildebene (18o, 216) abtastende Strahl gleichzeitig Markierungen auf der Objekt- und/oder der Bildfläche (18, 21) abtastet, daß die zeitlichen Abstände zwischen dem Auftreten der durch Streuung oder Reflexion an den Markierungen auftretenden Lichtimpulse oder deren zeitliche Lage in bezug auf Sollzeitpunkte gemessen werden und daß bei Auftreten von Abweichungen Signale erzeugt werden, die zur Anzeige und/oder Korrektur dieser translatorischen oder durch eine Rotation bewirkten Abweichungen verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine einen Lichtstrahl (12) erzeugende Lichtquelle (11), einen von diesen Strahl durchsetzten Strahlenteiler (14) und ein um die Mittelachse des Strahles (12) rotierendes Prisma (15), durch eine Linse (16), die die von der Lichtquelle (11) ausgehende Strahlung über einen Strahlenteiler (17) auf eine Maske (18) und durch diese hindurch über Linsen (19, 20) auf ein Halbleiterplättchen (21) fokussiert, sowie durch einen Fokussierungsdetektor (30), dem die an dem Halbleiterplättchen (21) und/oder der Maske (18) reflektierten oder gestreuten Strahlen über den Strahlenteiler (14) und eine Linse (22) zugeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit (32), deren Eingängen die am Ausgang (31) des Fokussierungsdetektors (30) und die von einer Einheit (15/4) zur Anzeige der jeweiligen Drehlage des Prismas (15) kommenden Signale zugeführt werden und deren ein Ergebnis der Verarbeitung der jeweiligen Ortskoordinaten der jeweils auf der Maske (18) und dem Halbleiterplättchen (21) abgetasteten Punkte sowie die Abweichungen dieser Punkte von ihren Sollagen berücksichtigenden Ausgangssignale über Leitungsbündel (33, 34) an Steuereinheiten (41, 42, 43) übertragen werden, die über stangenförmige Elemente (41a bis 43d) die die Maske (18) und das Halbleiterplättchen (21) tragenden Supporte (18s, 215) in ihre Sollagen überführen.